Entwicklung einer Methodik zur Bewertung und Optimierung des vibroakustischen Verhaltens von Kraftstoffeinspritzsystemen

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der akustischen Analyse von Kraftstoffein-spritzsystemen und deren NVH-Optimierung mithilfe ansteuerungstechnischer Maßnahmen. Da sich der Körper- und Luftschall beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit anderen, nicht untersuchungsrelevanten Geräuschkomponenten überlagert, ist im Vollmotorbetrieb eine diffe-renzierte komponentenbasierte Geräuschmessung nicht möglich. Deshalb wurde ein NVH-Sys-temprüfstand entwickelt, der eine isolierte akustische Vermessung von Einspritzsystemen im seriennahen Systemverbund ermöglicht. Die Betriebsparameter des Einspritzsystems wurden an einem Vollmotor in einem leerlaufna-hen Motorbetriebspunkt erfasst und mithilfe eines speziellen Entwicklungssteuergeräts auf den NVH-Systemprüfstand transferiert. Ausgehend von dem definierten Referenzbetriebspunkt wurden sowohl die Randbedingungen als auch die Ansteuerstrategie variiert und deren Einfluss auf das akustische Verhalten analysiert. Dabei zeigten primär der Raildruck und die Anzahl der Einspritzungen einen ausgeprägten Einfluss auf die betrachteten (psycho-)akustischen Parame-ter Schalldruckpegel, Lautheit, Schärfe und Impulshaltigkeit. Zur akustischen Optimierung der mechatronischen Komponenten wurden zum einen der An-steuerstrom reduziert und zum anderen ein Bremsimpuls am Ende der Ansteuerung implemen-tiert. Dadurch konnten die mechanischen Prellereignisse deutlich reduziert werden. Mithilfe eines Einspritzratenmessgeräts wurde allerdings nachgewiesen, dass sich die Optimierungs-maßnahmen insbesondere auf die Streuung der eingespritzten Kraftstoffmasse negativ auswir-ken und damit ein Zielkonflikt aus Geräuschqualität und Primärfunktionen entsteht. Als signi-fikanter Kipppunkt wurde bei den Injektoren der Übergang vom linearen Vollhub-Betrieb zum ballistischen Teilhub-Betrieb identifiziert. Aus diesem Grund wurde die elektrische Ansteue-rung unter der Voraussetzung des Injektor-Vollhub-Betriebs optimiert. Bei der Beurteilung des Einflusses der NVH-optimierten Ansteuerprofile auf die Robustheit der mechatronischen Komponenten wirkten sich eine niedrige Versorgungsspannung sowie eine kurze Ansteuerdauer der Injektoren besonders negativ auf die Streuung der eingespritzten Kraftstoffmasse aus. Vor allem in Verbindung mit der stromreduzierten Ansteuerung wurden die Injektoren nicht mehr zuverlässig und reproduzierbar im Voll-Hub geöffnet. Weiterhin wur-den durch die Bremspuls-Applikation injektorspezifische Abweichungen im Schließverhalten weiter verstärkt und erhöhten damit auch die Abweichungen der mittleren eingespritzten Kraft-stoffmasse zwischen den untersuchten Injektor-Exemplaren. Abschließend wurde die Übertragbarkeit des Systemverhaltens ermittelt, indem die Optimie-rungsmaßnahmen auf einen weiteren Versuchsträger ausgeweitet wurden. Dabei zeigte sich, dass die Maßnahmen zwar grundsätzlich übertragbar waren, aber die Parametrierung bezüglich Ansteuerstromreduzierung und Bremspuls-Applikation zum Teil stark angepasst werden muss-ten.

The present dissertation deals with the acoustic analysis of fuel injection systems and their NVH optimization by means of control measures. Since the structure-borne and airborne sound dur-ing operation of the combustion engine is superimposed with other noise components that are not relevant for the analysis, a differentiated component-based noise measurement is not possi-ble in full engine operation. For this reason, an NVH system test bench has been developed that enables isolated acoustic measurements of fuel injection systems in a near-series system com-pound. The operating parameters of the injection system were recorded on a full engine at an engine operating point close to idle and transferred to the NVH system test bench by means of a special development control unit. Beginning from the defined reference operating point, both the boundary conditions and the control strategy were varied and their influence on the acoustic behavior analyzed. Primarily, the rail pressure and the number of injections had a distinct in-fluence on the (psycho-)acoustic parameters considered: sound pressure level, loudness, sharp-ness and impulsiveness. To optimize the mechatronic components acoustically, the control current was reduced and a braking pulse was implemented at the end of the control. This significantly reduced the me-chanical bounce events. However, using an injection rate measurement device revealed that the optimization measures had a particularly negative effect on the scattering of the injected fuel mass, resulting in a trade-off between noise quality and performance. To this, the shift from linear full-stroke operation to ballistic partial-stroke operation of the injectors was identified as a significant tipping point. Therefore, the electrical control was optimized under the condition of injector full stroke operation. Considering the influence of the NVH optimized control profiles on the robustness of the mech-atronic components, particularly a low supply voltage and a short control duration of the injec-tors showed a negative effect on the scattering of the injected fuel mass. Especially in combi-nation with the reduced control current, the injectors were no longer able to open reliably and reproducibly in the full stroke. Additionally, the brake pulse application further increased in-jector-specific deviations in the closing behavior and thus increased the deviations of the mean injected fuel mass between the injector samples investigated. Finally, the transferability of the system behavior was determined by extending the optimization measures to another demonstrator. It turned out that the measures were generally transferable, but the parameterization with regard to control current reduction and brake pulse application had to be adapted considerably in some cases.